JP3602313B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、素子分離領域を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置における素子分離方法の1つとして、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)と呼ばれる技術がある。この技術は、シリコン窒化層を酸化防止マスクとして用いてシリコン基板の表面の所定部分を選択的に熱酸化し、これにより形成された酸化層を素子分離領域とするものである。その素子分離領域に形成される酸化層は、一般にフィールド酸化層と呼ばれている。
【0003】
しかし、LOCOS法による素子分離には、次のような2つの問題がある。
その1つは、バーズビークと呼ばれるものである。これは、LOCOS法によってシリコン基板を熱酸化すると、酸化防止マスクの縁から酸素が入ってシリコン基板表面の酸化層が酸化防止マスクの下に食い込むことによるものであり、その食い込んだ部分の断面形状が鳥の嘴状に形成されることからバーズビークと呼ばれている。
【0004】
このバーズビークはフィールド酸化層を広げることになるので、素子分離領域の寸法の拡張が問題となる。
もう1つは、シニング(thinning)効果と呼ばれる現象であり、素子分離領域の幅が狭くなるにつれてフィールド酸化層の層厚が薄くなることである。これは、シリコン基板の素子分離領域に酸素を供給するための酸化防止マスクの開口部の寸法を狭くすると、開口部を通して供給される酸素量が少なくなることによって生じる。
【0005】
これらの問題は、従来より知られていたが、素子の寸法が大きい場合にはバーズビーク、シニング共にそれほど悪影響は無かった。
ところが、半導体装置の微細化に伴い、素子だけでなく、素子分離領域も微細化されるようになると、これらの問題点が顕在化してくる。
バーズビークは、素子の微細化に合わせて小さくすることが困難なので、バーズビークが素子形成領域を浸食して素子形成領域の寸法を縮小化する割合が大きくなる。また、素子分離領域の幅を1μm以下にすると、シニング効果も顕著に表れ、幅の広い素子分離領域に比べてフィールド酸化層の層厚が半分以下になる場合もある。
【0006】
このようにフィールド酸化層が薄くなってくると、寄生MOSトランジスタのチャネルの形成を防止するためにフィールド酸化層直下に導入する不純物の導入の効果が無くなることもある。
このような問題が生じない素子分離構造として、シリコン基板に溝(trench)を形成してその中に絶縁物又は多結晶シリコンを埋め込むものが知られている。この方法は、従来、深い素子分離を必要とするバイポーラトランジスタLSIに適用されてきたが、バーズビーク、シニングがともに生じないことから、MOSトランジスタLSIへの適用も進んでいる。
【0007】
MOSトランジスタLSIでは、バイポーラトランジスタLSIほどの深い素子分離は必要としないために、深さ1μm程度の比較的浅い溝で素子分離を行うSTI(Shallow Trench Isolation)と呼ばれる構造が用いられている。
次に、STIを用いた素子分離方法を説明する。
まず、図11(a) に示すように、シリコン基板101 上に第一の熱酸化層102 を10nmの厚さに形成した後に、その上にシリコン窒化層103 をCVDにより150nmの厚さに形成する。続いて、レジストマスク104 の窓105 により素子分離領域Sを確定する。
【0008】
その後に、図11(b) に示すように、窓105 の下のシリコン窒化層103 、第一の熱酸化層102 をエッチングして開口部103aを形成するとともに、その下のシリコン基板101 に0.5μm程度の深さの溝106 をRIE(Reactive Ion Etching)法によって形成する。
次に、図11(c) に示すように、レジストマスク104 を剥離した後に、溝106 の内壁を熱酸化して、その内壁に沿って層厚50nmの第二の熱酸化層107 を形成する。そして、全体にCVDによってシリコン酸化層108 を1μmの厚さに形成して、溝106 の中をそのシリコン酸化層108 によって充填する。
【0009】
適当な熱処理を施した後に、図11(d) に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing) 又はRIE法によってシリコン窒化層103 上のシリコン酸化層108 を除去して、そのシリコン酸化層108 を溝106 の内部とその上にだけ残すようにする。この場合、シリコン窒化層103 をCMPストッパ層として機能させる。
【0010】
その後に、図12(a) に示すように、リン酸を用いてシリコン窒化層103 を除去する。ついで、シリコン基板101 上の第一の熱酸化層102 をフッ酸によって除去する。
次に、シリコン基板101 の表面を熱酸化して全面に第三の熱酸化層(不図示)を形成した後に、シリコン基板101 の一部に不純物をイオン注入し、さらに不純物を加熱により活性化してシリコン基板101 にウェル(不図示)を形成した後に、第三の熱酸化層をフッ酸で除去する。
【0011】
その後に、図12(b) に示すように、シリコン基板101 の素子形成領域の表面を熱酸化してゲート酸化層109 を形成した後に、ゲート酸化層109 の上にゲート電極110 を形成し、ついで、ゲート電極110 の両側(紙面に垂直方向)のシリコン基板101 にソース、ドレインとなる不純物拡散層111 を形成する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、溝106 内をシリコン酸化層108 で充填し、シリコン窒化層103 を除去した後に、上記したようなフッ酸処理を複数回行うと、溝106 内に埋設したシリコン酸化層108 のうちシリコン基板101 から突出した部分がフッ酸によって等方的にエッチングされる。このようにシリコン酸化層108 に等方的なエッチングが生じると、溝106 に埋め込まれたシリコン酸化層108 には図13(a) に示すような凹部121 が形成される。
【0013】
そのような凹部121 は素子形成領域と素子分離領域Sの間に形成されるので、その凹部121 から溝106 の上縁(肩部)の部分が露出してしまう。したがって、その素子分離領域Sを跨いで形成されたゲート電極110 に電圧が印加されると、図13(b) に示すように、その溝106 の縁部の肩部に電界Eが集中する。
これにより、ゲート電圧が低い状態でも溝106 の肩部近傍のシリコン基板101 を通してリーク電流が流れやすくなる。即ち、閾値の低い寄生トランジスタが形成されたと等しい状態になり、MOSトランジスタは図14に示すような特性となる。
【0014】
そのトランジスタ特性の測定結果を示すと、n型MOSトランジスタでは図15(a) 、p型MOSトランジスタでは図16(a) のようなトランジスタ特性が得られ、図14と同じような特徴が表れている。図15(a) 、図16(a) の特性曲線の変化を求めると、図15(b) 、図16(b) のような変化が表れ、そこに現れる小さなピークは、図14に示す寄生トランジスタの特性曲線と通常のトランジスタの特性曲線の境界での変化を示している。なお、図15(a) 、図16(a) のゲート電極の大きさは、ゲート長/ゲート幅を1/10である。
【0015】
そのような寄生MOSトランジスタによって閾値電圧が低下する現象は、ハンプ(hump)とよばれる。
そして、寄生トランジスタのリーク電流を低減するために、溝106 の肩部にイオン注入を行うことが、B. Davari et al., IEDM 1988 pp.92−95に提案されている。しかし、この方法では、溝106 の肩部だけでなくその周辺にまで不純物が拡がるので素子形成領域を狭くしてしまう。
【0016】
また、その他の方法としては、溝106 の肩部を熱酸化して丸めることにより、その部分での電界集中を低減することが、提案されている。しかし、溝106 の肩部を丸めるためには、1200℃近い高温酸化が必要になり、そのような温度では大口径の半導体ウェハが反り易くなる。
その他の方法として、CMPとRIEのストッパ層として、シリコン窒化層103 の代わりに多結晶シリコン層を用い、その多結晶シリコン層をそのままゲート電極として用いる方法が、’96 International Electron Device Meeting において発表されている。しかし、この方法ではゲート電極及びゲート酸化層を通してウェル形成用の不純物イオン注入を行う必要があるために、ゲート酸化層がダメージを受ける。しかも、酸化防止マスクをパターニングしてゲート電極を形成することになるために、CMPとRIEの処理の均一性に従って、ゲート電極の高さも不均一となる。これにより、トランジスタ特性のバラツキが大きくなることが懸念されている。
【0017】
また、図12(a) に示すシリコン酸化層108 のシリコン基板101 から突出したシリコン酸化膜108 の側面に絶縁性サイドウォールを形成し、この絶縁性サイドウォールにより凹部121 を埋め込む方法が、Pierre C. Fazan et al., IEDM 1993, PP.57−60 に記載されている。しかし、この方法では、サイドウォールを形成する際に、絶縁層の成長のバラツキと、絶縁層のエッチバックのバラツキを抑えることが必要であり、制御性良くサイドウォールを形成することが難しい。さらに、ゲート酸化層を形成する前に、サイドウォール形成のためのエッチバックを行うために、エッチバック時のイオン照射によってシリコン基板の表面が荒れるのでゲート酸化層への悪影響も懸念される。
【0018】
本発明の目的は、良好なトランジスタ特性が得られ、半導体ウェハの欠陥を防止することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、図1〜図4に例示するように、半導体基板1の上にストッパ層3を形成する工程と、前記ストッパ層3上にマスク層4を形成する工程と、前記マスク層4に第一の開口部6bを形成する工程と、前記第一の開口部6bを通して前記ストッパ層3をエッチングして第二の開口部6aを形成し、該第二の開口部6aにより素子分離領域Aを確定する工程と、前記第二の開口部6aを通して前記半導体基板1をエッチングして溝7を形成する工程と、前記溝7の壁面を覆う基板保護層8を形成する工程と、前記基板保護層8により前記基板1を保護しつつ前記ストッパ層3を部分的にエッチングして、前記ストッパ層3の前記第二の開口部6aの幅を広げる工程と、前記マスク層4をエッチングするとともに、前記基板保護層7を除去する工程と、前記ストッパ層3の上と前記第二の開口部6aの中と前記溝7の内部に酸化膜9を形成する工程と、前記ストッパ層3よりも上の前記酸化膜9を除去する工程と、前記ストッパ層3を除去する工程と、前記溝7から突出した前記酸化膜9の側部を縮小化する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法によって解決する。
【0020】
上記した半導体装置の製造方法において、前記溝7の内部に形成する酸化膜9はシリコン酸化膜であり、前記溝7から突出した前記酸化膜9の側部をフッ酸によって縮小化することを特徴とする。また、上述した半導体装置の製造方法において、前記ストッパ層3の前記第二の開口部6aを広げる工程における前記第二の開口部6aの拡張幅は、前記フッ酸によって前記酸化膜9が縮小化される幅よりも広いことを特徴とする。
【0021】
更に、上述した半導体装置の製造方法において、前記ストッパ層3上の前記酸化膜9の除去は、研磨又は異方性エッチングによって行われることを特徴とする。更に、前記第二の開口部6aの拡張は、CF4 、CHF3 、HBr、Arのガスを任意に組み合わせるドライエッチングか、或いは、リン酸溶液によるウェットエッチングのいずれかによって行われることを特徴とする。
【0022】
更にまた、上述した半導体装置の製造方法において、前記第二の開口部6aの拡張の後に前記マスク層9を除去する工程を更に含むことを特徴とする。
更にまた、前記第二の開口部6aの拡張の後に、前記マスク層4の前記第一の開口部6bを前記第二の開口部6aと同等又はそれ以上に拡張することを特徴とする。
【0023】
更にまた、上述した半導体装置の製造方法において、前記ストッパ層3は窒化シリコンの成長により形成され、前記マスク層4は酸化シリコンの成長又はレジストの塗布により形成され、前記ストッパ層3の前記第二の開口部6aの拡張は、酸化シリコン又はレジストに対する前記ストッパ層3の選択エッチングによって行われ、前記酸化膜9は酸化シリコンの成長によって形成されることを特徴とする。
【0024】
上記した半導体装置の製造方法において、前記ストッパ層の膜厚は、前記溝から突出した前記酸化膜を跨いで形成される電極の膜厚の1.2倍以下であることを特徴とする。
次に、本発明の作用について説明する。
本発明によれば、半導体基板に形成した素子分離用の溝に酸化膜を充填する場合に、溝から上方に突出する酸化膜を溝よりも広くなるように残している。
【0025】
このため、その後の基板表面で酸化膜を縮小するようなエッチング処理を行っても、溝の中へ向けてのエッチャントの供給が酸化膜の突起によって妨げられることになり、これにより、溝内の酸化膜に凹部が形成されることが防止され、素子分離用溝を跨ぐ電極からの電界が溝の肩で集中しなくなる。
ストッパ層の開口部を拡張するためには、その上に二酸化シリコンのようなマスク層を形成し、そのマスク層と基板の間にストッパ層を挟み、ストッパ層を選択的に横方向に等方エッチングすることによってその開口部が均一に拡張する。その選択的なエッチングは、ウェットであってもドライであってもよく、窒化シリコンからなるストッパ層を使用する場合には、マスク層を酸化シリコンによって形成し、ストッパ層をリン酸によるウェットエッチングか、又はCF4 、CHF3、HBr 、Arのガスを任意に組み合わせるドライエッチングによって等方的且つ選択的にエッチングする。
【0026】
なお、溝から露出する半導体基板をエッチングや汚染から保護するために、酸化シリコンのような保護層によって溝内面を覆うのが好ましい。
【0027】
【発明の実施の形態】
そこで、以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1〜図3は、本発明の半導体装置の製造工程の一実施形態を示す断面図である。
まず、図1(a) に示すような状態になるまでを説明する。
【0028】
最初に、シリコン基板(半導体基板)1の主面を熱酸化して、その主面上に厚さ10nmの第一のシリコン酸化層2を形成する。続いて、第一のシリコン酸化層(基板保護層)2の上にシリコン窒化層(ストッパ層)3をCVDにより形成し、さらに、シリコン窒化層3の上に、厚さ100nmの第二のシリコン酸化層(マスク層)4をCVDにより成長する。シリコン窒化層3の厚さは40nm以上であって後述するゲート電極材の膜厚の1.2倍以下が好ましい。その厚さの詳細については、後述する。
【0029】
その後に、第二のシリコン酸化層4の上にレジスト(マスク層)5を塗布し、これを露光、現像して素子分離領域Aに窓5aを形成する。その素子分離領域Aの窓5aの幅は、例えば1μm以下であり、半導体素子の微細化が進むにつれて0.2μm又はそれ以下と小さくなる。
次に、図1(b) に示すように、窓5aを通して第二のシリコン酸化層4、シリコン窒化層3をエッチングして窓5aの下に開口部6a,6bを形成する。続いて、窓5a及び開口部6a,6bを通してシリコン基板1をエッチングして深さ0.5μmの溝7を形成する。これらの場合、第一及び第二のシリコン酸化層2,4及びシリコン窒化層3のエッチングガスとしてCF4 とCHF3とArの混合ガスを用いる。また、シリコン基板1のエッチングガスとしてHBrとO2 の混合ガス又はCl2 とO2 の混合ガスを用い、これにより溝7の側面が傾斜し、その傾斜により溝7の肩部(上縁部)にかかる電界集中を緩和させる。第二のシリコン酸化層4は、例えば750〜800℃の温度で形成する。
【0030】
次に、レジスト5を溶剤により除去した後に、図1(c) に示すように、シリコン基板1の溝7の内壁面を熱酸化して厚さ5nmの第三のシリコン酸化層(基板保護層)8を成長し、これにより溝7の内面を第三のシリコン酸化層8で覆う。 続いて、図2(a) に示すように、第一のシリコン酸化層2と第二のシリコン酸化層4に挟まれたシリコン窒化層3を開口部6a,6bを通して約140℃の熱リン酸でサイドエッチングして、シリコン窒化層3の開口部6aを50nm程度広げる。この場合、第一及び第二のシリコン酸化層2,4は熱リン酸によって殆どエッチングされないので、開口部6bでは、第二のシリコン酸化層4がシリコン窒化層3からオーバーハングした状態になり、しかも、溝7から露出するシリコン基板1の面は第三のシリコン酸化層8によって熱リン酸から保護される。
【0031】
シリコン窒化層3のエッチングは、熱リン酸によるウェットエッチングの他にCF4 、CHF3、HBr 、Arのガスを任意に選択したドライエッチングでもよい。
この後に、図2(b) に示すように、希釈フッ酸液によって第一、第二及び第三のシリコン酸化層2,4,8をエッチングして、開口部6a,6bから露出した第一及び第二のシリコン酸化層2,4を除去するとともに、第三のシリコン酸化層8のうちシリコン窒化層3に対するオーバーハング部分を除去する。第三のシリコン酸化層8の横方向のエッチング量は50nm以上にする。この場合、第二のシリコン酸化層4ではその等方エッチングにより開口部6bがシリコン窒化層3の開口部6aよりも拡がるとともに、第二のシリコン酸化層4での縁の角が取れてなだらかになる。
【0032】
次に、図2(c) に示すように、第四のシリコン酸化層9をCVDにより0.6〜1μm程度の厚さに成長して、第四のシリコン酸化層9によってシリコン窒化層3及び第三のシリコン酸化層4を覆うとともに溝7の中を埋め込むようにする。そのCVDの際にはSiH4と酸素の混合ガスか、或いはTEOSとオゾンの混合ガスを使用する。第四のシリコン酸化層9の成長の後に、約1000℃のアニールによって第四のシリコン酸化層9の層内を緻密化する。
【0033】
続いて、第四のシリコン酸化層9及び第三のシリコン酸化層4をCMPにより研磨することにより、シリコン窒化層3の上の第三及び第四のシリコン酸化層4,9を除去する。
その研磨は、回転する上下の定盤(不図示)の間にシリコン基板1を挟んで行われる。上下の定盤の回転速度をそれぞれ20rpm 、上下の定盤間の圧力を5PSI、バックプレッシャーを5PSIとし、研磨剤としてコロイダルシリカを主成分としたスラリー、又は、酸化セリウム系スラリーを用いる。このような条件ではシリコン窒化層3のエッチングレートが小さくてこれが研磨の終点となり、この研磨を終えた状態では第四のシリコン酸化層9がシリコン窒化層3の開口部6aと溝7の中にのみ残ることになる。
【0034】
次に、熱リン酸溶液によってシリコン窒化層3を除去すると、図3(a) に示すように、溝7を埋め込んでいる第四のシリコン酸化層9の一部がシリコン基板1上に突起9aとし現れ、その突起7aは素子分離領域Aから素子形成領域Bにはみ出た状態になる。
この後に、シリコン基板1上に残った第一のシリコン酸化層2を希釈フッ酸によって除去し、さらに、シリコン基板1の表面を熱酸化して犠牲酸化層(不図示)を成長し、シリコン基板1にイオン注入により一導電型のウェル10を形成した後に、犠牲酸化層を希釈フッ酸によって除去する。
【0035】
そのような2回のフッ酸処理によって第四のシリコン酸化層9の突起9aは、図3(b) に示すように、縮小化して素子形成領域Bへのはみ出し量αが小さくなるか、或いははみ出し部分がなくなるとともに、突起9aの肩部が丸くなる。
これにより、溝7の中のシリコン酸化層9にはエッチャントが供給されないので、溝7の中とその上に存在するシリコン酸化層9には従来のような凹部が形成されることはない。
【0036】
なお、突起9aの素子形成領域Bへのはみ出し量αは、図2(a) に示すシリコン窒化層3の側方へのエッチング量と、フッ酸による突起9aの縮小量を予め調査しておき、犠牲酸化層除去の後で突起9aの外縁が溝7の上縁と一致するか、或いは数nm以下と僅かに素子形成領域Bにはみ出るように調整する。その調整は、制御性よく行える。
【0037】
これにより、溝7内に埋め込まれた第四のシリコン酸化層9によって素子分離構造が完成する。
次に、図3(c) に示すように、シリコン基板1の表面を熱酸化して層厚5nmのゲート酸化層(ゲート絶縁膜)11を形成し、ついで、素子形成領域Bから素子分離領域Aにかけてゲート電極12を形成した後に、シリコン基板1内の不純物と反対導電型の不純物をゲート電極12の両側にイオン注入してソース、ドレインとなる不純物拡散層13,14を形成する。これにより図4に示すMOSトランジスタの形成工程が終了する。
【0038】
不純物拡散層13,14を形成するためにシリコン基板1にイオン注入される不純物として、ウェル10がn型の場合にはp型不純物(ホウ素等)であり、又はウェル10がp型の場合にはn型不純物(燐、砒素等)である。
以上のような工程により形成したn型MOSトランジスタのトランジスタ特性を測定したところ、図5(a) のような結果が得られ、寄生MOSトランジスタの存在が確認されなかった。即ち、図5(b) に示すように、トランジスタ特性曲線には変化の顕著さを示すピークが存在せず、閾値電圧の低下は殆ど見られなかった。同様に、p型MOSトランジスタのトランジスタ特性を調べたところ図6(a) のような結果が得られ、そのトランジスタ特性曲線の変化は図6(b) のようになって寄生容量の存在が確認されなかった。なお、図5(a) 、図6(a) のゲート電極12の大きさは、ゲート長/ゲート幅を1/10である。
【0039】
また、逆狭チャネル効果を調べたところ、図7に示すような結果が得られた。即ち、上記した実施形態の製造工程によって形成したMOSトランジスタのうちゲート電極の幅(即ちチャネル長方向と直行する方向のゲート電極の長さ)を変えて閾値電圧(Vth)の変化を調べたところ図7の三角プロットに示すように、ゲート幅の変化に対して閾値電圧に殆ど変化が見られなかった。この場合、突起9aのフッ酸処理の時間を11分として突起9aの側部を溝7の上縁とほぼ一致するようにした。
【0040】
これに対して、従来方法による図13(b) に示すような構造のMOSトランジスタのゲート幅の変化に対する閾値電圧(Vth)の変化を調べたところ、図7の黒丸プロットに示すように、ゲート幅が小さくなるにつれて閾値電圧も小さくなることがわかった。これは、寄生容量のトランジスタ特性に占める影響が大きくなるからである。
【0041】
ところで、トランジスタが形成される領域(活性領域ともいう)の幅が狭くなるにつれて、図2(a) に示すようなシリコン窒化層3をサイドエッチングする場合のサイドエッチングの許容量Lが重要になり、それは次のようにして決定される。
ゲート酸化層11の形成前には、熱酸化膜を20nmエッチングする程度のフッ酸処理がなされる。また、アニールを経た溝7内の第四のシリコン酸化層9の膜質は、熱酸化膜とほぼ同じになる。
【0042】
したがって、そのようなフッ酸処理により突起9aの幅が溝7よりも狭小になることを防止する必要がある。その極小化を防止するためには、シリコン窒化層3の開口部6aの両側の幅をそれぞれ溝6aよりも20nm以上ずつ広げて突起9aの幅を予め広く確保しておく必要がある。他方、MOSトランジスタが形成される活性領域の幅を狭くし、且つ開口部6aの幅を広げすぎると、図8に示すように、シリコン窒化層3の幅が細くなりすぎて第二のシリコン酸化層4がリフトオフすることがあるのでこれを防止する必要がある。現在のところ、横方向のエッチング量が最小の活性領域の幅の45%であれば、第二のシリコン酸化層4がリフトオフしない。例えば、最小の活性領域の幅W1 が200nmの場合には、開口部6aを通したシリコン窒化層3のサイドエッチング量L1 の最大許容値は90nmである。
【0043】
サイドエッチング量としては、最小の活性領域幅W1 が200nmの場合にはシリコン窒化層3のサイドエッチング量は20〜90nmであり、また、最小の活性領域幅が180nmの場合には20〜81nmである。
次に、突起9aの高さを決めるシリコン窒化層3の厚さについて説明する。
図3(a) に示すように、シリコン窒化層3の膜厚によって規定される突起9aの高さhが低すぎると、図9に示すように、溝7の上縁(肩)とその近傍に形成される寄生MOSトランジスタTr1が容易にONしてしまう。その寄生MOSトランジスタTr1はハンプを生じさせる原因になる。なお、図9において符号Tr0は、本来のMOSトランジスタを示している。
【0044】
電源電圧が1.8Vの場合に、寄生MOSトランジスタTr1がONしないための突起9aの高さhの低い法の限界は約40nmである。その閾値Vthは次の式で決定される。
Vth=Vfb+2φF+√(2εsi・q・NA・2φF)×1/C0x (1)
ただし、Vfbはフラットバンド電圧、φFはフェルミポテンシャル、εsiはシリコンの誘電率、qは電気素量(単位はC)、NAは基板不純物濃度である。また、C0xは、C0x=εox/dで示される。ただし、εoxは酸化シリコンの誘電率、dはゲート酸化層の厚さであって単位はcmである。さらに次の関係がある。
【0045】
εsi=11.7ε0
εox=3.9ε0
φF=k・T・In(NA/ni)
ここで、ε0 (真空誘電率)=8.854×10−14 (F/cm)、k=8.62×10−5、ni=1.45×1010、k=8.62×10−5、q=1.6×10−19 Cである。また、T(絶対温度)=300K、Vfb=1.054V、d=40×10−7cmとすると、式(1)のVthは次のようなる。
【0046】
Vth=1.756kg−1・m−2・sec2・coul・volt
閾値Vthは、C0x以外は全て基板側で決まる定数であり、その影響力から考えて突起9aの基板からの突出量が小さい場合には、閾値電圧の深い(小さい)寄生容量MOSトランジスタTr1ができてしまう。上記した条件では、突出量が40nmで寄生MOSトランジスタTr1の閾値が1.8Vとなるので、窒化シリコン層3の膜厚は40nm以上が好ましいといえる。これに対して、突出量の上限がどこまで許容されるかということについては、寄生MOSトランジスタTr1の空乏化率又はゲート電極の厚さによって決定される。
【0047】
例えば、突起9aの突出量が大きすぎると、ゲート電極12を形成する際に、シリコン基板1の活性領域に凹部が形成される。即ち、ゲート電極12を形成するためには、図10(a) に示すように、突起9aを覆うようにして不純物がドープされた多結晶シリコン層12aを形成し、ついで、その多結晶シリコン層12aをパターニングすることになる。しかし、ゲート電極12のパターンを構成しない多結晶シリコン層12aのうち、図10(b) のように突起9aの側面に残る部分を完全に除去するためには、突起9aの高さのうち多結晶シリコン膜12aの膜厚を引いた残りの量を除去するためのオーバエッチング時間が必要となる。このオーバエッチングによれば、ゲート電極12の側方のゲート酸化層11も同時にエッチングされるので、その後に生じるであろうシリコン基板1のエッチングを防止する必要がある。このためには、ゲート電極12となる多結晶シリコン膜12aの1.2倍程度の突起9aの高さhが妥当となる。例えば、ゲート電極12の膜厚を200nmとする場合の突起9aの高さhの上限は2400nm、ゲート電極の膜厚を180nmとする場合の突起9aの高さhの上限は216nmとなるのが妥当である。
【0048】
なお、上記した素子分離構造を構成する第四のシリコン酸化層9をシリコン窒化層3の上から除去する際に、CMPを用いたがCF4 とCHF3の混合ガスを使用するRIEを適用してもよい。
また、シリコン窒化層3の上の第三のシリコン酸化層4は、シリコン基板1をエッチングして溝7を形成する際のマスクとして用いるものであるが、レジスト層で代用してもよく、この場合シリコン窒化層3上の第三のシリコン酸化層4の成長は省略してもよい。
【0049】
さらに、第四のシリコン酸化層9を形成する前に、溝の内周面に沿って図2(b) に示すように第五のシリコン酸化層(基板保護層)20を形成しておいてもよい。
【0050】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、半導体基板に形成した素子分離用の溝に酸化膜を充填する際に、半導体基板から突出してはみ出る酸化膜の範囲をストップ層の開口部の拡張によって溝よりも広く画定したので、その後の基板表面で酸化膜を縮小するようなエッチング処理を行っても、溝の中へ向けたエッチャントの供給が抑制されることになり、これにより、溝の中とその上に存在する酸化膜に凹部が形成されることを防止でき、素子分離領域に形成される電極からの電界が溝の肩で集中することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a) 〜(c) は、本発明の半導体装置の製造工程の一実施形態を示す断面図(その1)である。
【図2】図2(a) 〜(c) は、本発明の半導体装置の製造工程の一実施形態を示す断面図(その2)である。
【図3】図3(a) 〜(c) は、本発明の半導体装置製造工程の一実施形態を示す断面図(その3)である。
【図4】図4は、本発明の半導体装置の製造工程の一実施形態を経て形成されたMOSトランジスタを示す断面図である。
【図5】図5(a) は、本発明の一実施形態によって形成したn型MOSトランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を示すトランジスタ特性図であり、図5(b) は図5(a) のゲート電圧に対するlog IDの変化を示す図である。
【図6】図6(a) は、本発明の一実施形態によって形成したp型MOSトランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を示すトランジスタ特性図であり、図6(b) は図6(a) のゲート電圧に対するlog IDの変化を示す図である。
【図7】図7は、本発明の一実施形態により形成されたMOSトランジスタと従来工程により形成されたMOSトランジスタのそれぞれの逆狭チャネル効果を示す特性図である。
【図8】図8は、本発明の一実施形態でマスクとして使用するシリコン窒化層のサイドエッチングの最適化を説明するための断面図である。
【図9】図9は、本発明の一実施形態で素子領域に形成されるMOSトランジスタと、素子分離領域の溝の上縁に形成される寄生トランジスタの断面とこれに対応するトランジスタの等価回路図である。
【図10】図10(a),(b) は、素子分離領域の溝の中と上に形成されるシリコン酸化膜の突起の高さとゲート電極を構成する多結晶シリコン膜の厚さとの関係を示す断面図である。
【図11】図11(a) 〜(d) は、従来の半導体装置の製造工程の一例を示す断面図(その1)である。
【図12】図12(a),(b) は、従来の半導体装置の製造工程の一例を示す断面図(その2)である。
【図13】図13(a),(b) は、従来の半導体装置の製造工程の素子分離の酸化膜に形成される欠陥を示す断面図である。
【図14】図14は、図13(b) に示したMOSトランジスタのトランジスタ特性図である。
【図15】図15(a) は、従来工程によって形成したn型MOSトランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を示すトランジスタ特性図であり、図15(b) は図15(a) のゲート電圧に対するlog IDの変化を示す図である。
【図16】図16(a) は、従来工程によって形成したp型MOSトランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を示すトランジスタ特性図であり、図16(b) は図16(a) のゲート電圧に対するlog IDの変化を示す図である。
【符号の説明】
1…シリコン基板(半導体基板)、2…第一のシリコン酸化層、3…シリコン窒化層(ストップ層)、4…第二のシリコン酸化層、5…レジスト、6a,6b…開口部、7…溝、8…第三のシリコン酸化層、9…第四のシリコン酸化層、9a…突起、10…ウェル、11…ゲート酸化膜、12…ゲート電極、13、14…不純物拡散層。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device having an element isolation region.
[0002]
[Prior art]
As one of element isolation methods in a semiconductor device, there is a technique called LOCOS (Local Oxidation of Silicon). In this technique, a predetermined portion of the surface of a silicon substrate is selectively thermally oxidized using a silicon nitride layer as an oxidation prevention mask, and an oxide layer formed thereby is used as an element isolation region. The oxide layer formed in the element isolation region is generally called a field oxide layer.
[0003]
However, element isolation by the LOCOS method has the following two problems.
One of them is called bird's beak. This is because when the silicon substrate is thermally oxidized by the LOCOS method, oxygen enters from the edge of the antioxidant mask and the oxidized layer on the surface of the silicon substrate bites under the antioxidant mask. Is called a bird's beak because it is shaped like a bird's beak.
[0004]
Since this bird's beak enlarges the field oxide layer, there is a problem in that the size of the element isolation region is increased.
The other is a phenomenon called a thinning effect, in which the field oxide layer becomes thinner as the width of the element isolation region becomes smaller. This is caused by reducing the amount of oxygen supplied through the opening when the size of the opening of the oxidation prevention mask for supplying oxygen to the element isolation region of the silicon substrate is reduced.
[0005]
These problems have been conventionally known, but when the size of the element is large, both bird's beak and thinning have not so much adverse effect.
However, when not only elements but also element isolation regions are miniaturized with miniaturization of semiconductor devices, these problems become apparent.
Since it is difficult to reduce the size of the bird's beak in accordance with the miniaturization of the element, the rate at which the bird's beak erodes the element formation region to reduce the size of the element formation region increases. Further, when the width of the element isolation region is 1 μm or less, a thinning effect is remarkably exhibited, and the thickness of the field oxide layer may be half or less than that of the element isolation region having a large width.
[0006]
When the field oxide layer becomes thinner as described above, the effect of introducing impurities introduced immediately below the field oxide layer in order to prevent the formation of the channel of the parasitic MOS transistor may be lost.
As an element isolation structure that does not cause such a problem, there is known an element isolation structure in which a trench is formed in a silicon substrate and an insulator or polycrystalline silicon is embedded therein. This method has been conventionally applied to a bipolar transistor LSI requiring deep element isolation, but since neither bird's beak nor thinning occurs, application to a MOS transistor LSI is also progressing.
[0007]
The MOS transistor LSI does not require the element isolation as deep as the bipolar transistor LSI. Therefore, a structure called STI (Shallow Trench Isolation) that performs element isolation with a relatively shallow groove having a depth of about 1 μm is used.
Next, an element isolation method using STI will be described.
First, as shown in FIG. 11A, after a first
[0008]
Thereafter, as shown in FIG. 11B, the
Next, as shown in FIG. 11C, after removing the
[0009]
After performing an appropriate heat treatment, as shown in FIG. 11D, the
[0010]
Thereafter, as shown in FIG. 12A, the
Next, after the surface of the
[0011]
Thereafter, as shown in FIG. 12B, the surface of the element forming region of the
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, after the
[0013]
Since such a
This makes it easier for a leak current to flow through the
[0014]
The measurement results of the transistor characteristics show that the n-type MOS transistor has transistor characteristics as shown in FIG. 15A and the p-type MOS transistor has transistor characteristics as shown in FIG. 16A. I have. When the changes in the characteristic curves of FIGS. 15 (a) and 16 (a) are obtained, the changes shown in FIGS. 15 (b) and 16 (b) appear, and the small peaks appearing there are the parasitic peaks shown in FIG. A change at a boundary between a transistor characteristic curve and a normal transistor characteristic curve is shown. The size of the gate electrode in FIGS. 15A and 16A is 1/10 gate length / gate width.
[0015]
The phenomenon that the threshold voltage is reduced by such a parasitic MOS transistor is called a hump.
In order to reduce the leakage current of the parasitic transistor, ion implantation is performed on the shoulder of the
[0016]
As another method, it has been proposed that the shoulder portion of the
As another method, a method of using a polycrystalline silicon layer instead of the
[0017]
A method of forming an insulating sidewall on the side surface of the
[0018]
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device which can obtain good transistor characteristics and can prevent defects in a semiconductor wafer.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The above-mentioned problem involves a step of forming a
[0020]
In the method for manufacturing a semiconductor device described above,The
[0021]
Furthermore,In the method of manufacturing a semiconductor device described above, the removal of the
[0022]
Furthermore,In the method of manufacturing a semiconductor device described above,The method further comprises a step of removing the
Furthermore, after the expansion of the
[0023]
Furthermore,In the method of manufacturing a semiconductor device described above,The
[0024]
In the above-described method for manufacturing a semiconductor device, the thickness of the stopper layer is 1.2 times or less the thickness of an electrode formed across the oxide film protruding from the groove.
Next, the operation of the present invention will be described.
According to the present invention, when an oxide film is filled in a trench for element isolation formed in a semiconductor substrate, an oxide film protruding upward from the trench is left wider than the trench.
[0025]
Therefore, even if an etching process is performed to reduce the oxide film on the substrate surface thereafter, the supply of the etchant into the groove is obstructed by the protrusion of the oxide film, and as a result, the inside of the groove is prevented. The formation of the concave portion in the oxide film is prevented, and the electric field from the electrode straddling the element isolation groove is not concentrated on the shoulder of the groove.
To expand the opening of the stopper layer, a mask layer such as silicon dioxide is formed thereon, the stopper layer is sandwiched between the mask layer and the substrate, and the stopper layer is selectively laterally isotropic. The opening uniformly expands by the etching. The selective etching may be wet or dry. When a stopper layer made of silicon nitride is used, the mask layer is formed of silicon oxide, and the stopper layer is wet-etched with phosphoric acid. Or CF4, CHF3, HBr, and Ar gases are isotropically and selectively etched by dry etching in any combination.
[0026]
In order to protect the semiconductor substrate exposed from the groove from etching or contamination, it is preferable to cover the inner surface of the groove with a protective layer such as silicon oxide.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Therefore, embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1 to 3 are cross-sectional views showing one embodiment of a process for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
First, a description will be given of a state until the state shown in FIG.
[0028]
First, a main surface of a silicon substrate (semiconductor substrate) 1 is thermally oxidized to form a first
[0029]
After that, a resist (mask layer) 5 is applied on the second
Next, as shown in FIG. 1B, the second
[0030]
Next, after removing the resist 5 with a solvent, as shown in FIG. 1C, the inner wall surface of the
[0031]
The etching of the
Thereafter, as shown in FIG. 2B, the first, second and third
[0032]
Next, as shown in FIG. 2C, a fourth
[0033]
Subsequently, the fourth and third
The polishing is performed with the
[0034]
Next, when the
Thereafter, the first
[0035]
By such two hydrofluoric acid treatments, the
As a result, no etchant is supplied to the
[0036]
The protrusion amount α of the
[0037]
Thus, the element isolation structure is completed by the fourth
Next, as shown in FIG. 3C, the surface of the
[0038]
The impurities to be ion-implanted into the
When the transistor characteristics of the n-type MOS transistor formed by the above steps were measured, the result as shown in FIG. 5A was obtained, and the existence of the parasitic MOS transistor was not confirmed. That is, as shown in FIG. 5B, there was no peak showing a remarkable change in the transistor characteristic curve, and almost no decrease in the threshold voltage was observed. Similarly, when the transistor characteristics of the p-type MOS transistor were examined, the result as shown in FIG. 6A was obtained. The change in the transistor characteristic curve was as shown in FIG. 6B, and the existence of the parasitic capacitance was confirmed. Was not done. The size of the
[0039]
When the inverse narrow channel effect was examined, the result as shown in FIG. 7 was obtained. That is, the change in the threshold voltage (Vth) was examined by changing the width of the gate electrode (that is, the length of the gate electrode in a direction perpendicular to the channel length direction) in the MOS transistor formed by the manufacturing process of the above-described embodiment. As shown in the triangular plot of FIG. 7, there was almost no change in the threshold voltage with respect to the change in the gate width. In this case, the hydrofluoric acid treatment time of the
[0040]
On the other hand, when the change of the threshold voltage (Vth) with respect to the change of the gate width of the MOS transistor having the structure as shown in FIG. 13B according to the conventional method was examined, as shown in the black circle plot of FIG. It has been found that the threshold voltage decreases as the width decreases. This is because the influence of the parasitic capacitance on the transistor characteristics increases.
[0041]
By the way, as the width of a region (also referred to as an active region) in which a transistor is formed becomes narrower, an allowable amount L of side etching when the
Before the formation of the
[0042]
Therefore, it is necessary to prevent the width of the
[0043]
As the side etching amount, the minimum active region width W1Is 200 nm, the side etching amount of the
Next, the thickness of the
As shown in FIG. 3A, if the height h of the
[0044]
When the power supply voltage is 1.8 V, the parasitic MOS transistor Tr1The limit of the method in which the height h of the
Vth= Vfb+ 2φF + √ (2εsi・ Q ・ NA ・ 2φF) × 1 / C0x (1)
Where VfbIs the flat band voltage, φF is the Fermi potential, εsiIs the dielectric constant of silicon, q is the elementary charge (unit is C), and NA is the substrate impurity concentration. Also, C0xIs C0x= Εox/ D. Where εoxIs the dielectric constant of silicon oxide, d is the thickness of the gate oxide layer, and the unit is cm. Further, there is the following relationship.
[0045]
εsi= 11.7ε0
εox= 3.9ε0
φF = k · T · In (NA / ni)
Where ε0(Vacuum permittivity) = 8.854 × 10-14(F / cm), k = 8.62 × 10-5, Ni = 1.45 × 1010, K = 8.62 × 10-5, Q = 1.6 × 10-19C. Also, T (absolute temperature) = 300K, Vfb= 1.054V, d = 40 × 10-7cm, V in equation (1)thIs as follows.
[0046]
Vth= 1.756kg-1・ M-2・ Sec2・ Coul ・ volt
Threshold VthIs C0xAre constants determined on the substrate side, and considering the influence thereof, when the protrusion amount of the
[0047]
For example, if the protrusion amount of the
[0048]
When removing the fourth
Further, the third
[0049]
Further, before forming the fourth
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when an oxide film is filled in a trench for element isolation formed in a semiconductor substrate, the range of the oxide film protruding and protruding from the semiconductor substrate is increased by expanding the opening of the stop layer. Even if the etching process to reduce the oxide film on the substrate surface is performed later, the supply of the etchant into the groove is suppressed, and as a result, It is possible to prevent a concave portion from being formed in an oxide film present thereon, and to prevent an electric field from an electrode formed in an element isolation region from being concentrated on a shoulder of a groove.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views (part 1) illustrating an embodiment of a semiconductor device manufacturing process of the present invention.
FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views (part 2) illustrating one embodiment of a process for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
3A to 3C are cross-sectional views (part 3) illustrating one embodiment of a semiconductor device manufacturing process of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a MOS transistor formed through one embodiment of a semiconductor device manufacturing process of the present invention.
FIG. 5A is a transistor characteristic diagram showing a relationship between a gate voltage and a drain current of an n-type MOS transistor formed according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 7 is a diagram showing a change in log ID with respect to a gate voltage of FIG.
FIG. 6 (a) is a transistor characteristic diagram showing a relationship between a gate voltage and a drain current of a p-type MOS transistor formed according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 (b) is a transistor characteristic diagram. FIG. 7 is a diagram showing a change in log ID with respect to a gate voltage of FIG.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the inverse narrow channel effect of each of a MOS transistor formed according to an embodiment of the present invention and a MOS transistor formed according to a conventional process.
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining optimization of side etching of a silicon nitride layer used as a mask in one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a MOS transistor formed in an element region and a parasitic transistor formed on an upper edge of a groove in an element isolation region according to an embodiment of the present invention, and an equivalent circuit of a transistor corresponding thereto; FIG.
FIGS. 10A and 10B show a relationship between the height of a protrusion of a silicon oxide film formed in and on a groove of an element isolation region and the thickness of a polycrystalline silicon film forming a gate electrode. FIG.
FIGS. 11A to 11D are cross-sectional views (part 1) illustrating an example of a manufacturing process of a conventional semiconductor device.
FIGS. 12A and 12B are cross-sectional views (part 2) illustrating an example of a manufacturing process of a conventional semiconductor device.
FIGS. 13A and 13B are cross-sectional views showing defects formed in an oxide film for element isolation in a conventional semiconductor device manufacturing process.
FIG. 14 is a transistor characteristic diagram of the MOS transistor shown in FIG. 13 (b).
FIG. 15 (a) is a transistor characteristic diagram showing a relationship between a gate voltage and a drain current of an n-type MOS transistor formed by a conventional process, and FIG. 15 (b) is a transistor characteristic diagram of FIG. 15 (a). FIG. 9 is a diagram showing a change in log ID with respect to.
FIG. 16 (a) is a transistor characteristic diagram showing a relationship between a gate voltage and a drain current of a p-type MOS transistor formed by a conventional process, and FIG. 16 (b) is a graph showing the gate voltage of FIG. 16 (a). FIG. 9 is a diagram showing a change in log ID with respect to.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ストッパ層上にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層に第一の開口部を形成する工程と、
前記第一の開口部を通して前記ストッパ層をエッチングして第二の開口部を形成し、該第二の開口部により素子分離領域を確定する工程と、
前記第二の開口部を通して前記半導体基板をエッチングして溝を形成する工程と、
前記溝の壁面を覆う基板保護層を形成する工程と、
前記基板保護層により前記基板を保護しつつ前記ストッパ層を部分的にエッチングして、前記ストッパ層の前記第二の開口部の幅を広げる工程と、
前記マスク層をエッチングするとともに、前記基板保護層を除去する工程と、
前記ストッパ層の上と前記第二の開口部の中と前記溝の内部に酸化膜を形成する工程と、
前記ストッパ層よりも上の前記酸化膜を除去する工程と、
前記ストッパ層を除去する工程と、
前記溝から突出した前記酸化膜の側部を縮小化する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a stopper layer on the semiconductor substrate;
Forming a mask layer on the stopper layer;
Forming a first opening in the mask layer;
Etching the stopper layer through the first opening to form a second opening, and defining an element isolation region by the second opening ;
Etching the semiconductor substrate through the second opening to form a groove ;
Forming a substrate protection layer covering the wall surface of the groove,
A step of partially etching the stopper layer while protecting the substrate with the substrate protection layer, and increasing the width of the second opening of the stopper layer ;
While etching the mask layer, removing the substrate protective layer,
Forming an oxide film on the stopper layer, in the second opening , and inside the groove;
Removing the oxide film above the stopper layer;
Removing the stopper layer;
Reducing the side portion of the oxide film protruding from the groove.
前記マスク層は酸化シリコンの成長又はレジストの塗布により形成され、
前記ストッパ層の前記第二の開口部の拡張は、酸化シリコン又はレジストに対する前記ストッパ層の選択エッチングによって行われ、
前記酸化膜は酸化シリコンの成長によって形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。The stopper layer is formed by growing silicon nitride;
The mask layer is formed by growing silicon oxide or applying a resist,
The expansion of the second opening of the stopper layer is performed by selective etching of the stopper layer with respect to silicon oxide or resist ,
2. The method according to claim 1, wherein the oxide film is formed by growing silicon oxide.
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